JP5352246B2 - Persulfuric acid production apparatus and persulfuric acid production method - Google Patents
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- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Description
本発明は、酸化剤等として有用な過硫酸の溶解水を電気化学的手法により製造するための装置及び方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and a method for producing persulfuric acid dissolved water useful as an oxidizing agent or the like by an electrochemical technique.
超LSI製造工程におけるウエハ洗浄は、レジスト残渣、微粒子、金属及び自然酸化膜等を剥離洗浄するプロセスであり、例えば、濃硫酸と過酸化水素との混合溶液(SPM)、濃硫酸にオゾンガスを吹き込んだ溶液(SOM)等を用いてウエハを洗浄する方法が多用されている。このように、(高濃度)硫酸に過酸化水素やオゾンを加えると、硫酸が酸化されて過硫酸が生成される。そして、過硫酸は、自己分解する際に強い酸化力を発するため、上記ウエハ等の洗浄に役立つことが知られている。 Wafer cleaning in the VLSI manufacturing process is a process for stripping and cleaning resist residues, fine particles, metals, natural oxide films, etc. For example, ozone gas is blown into concentrated sulfuric acid / hydrogen peroxide mixed solution (SPM) or concentrated sulfuric acid. A method of cleaning a wafer using a solution (SOM) or the like is often used. Thus, when hydrogen peroxide or ozone is added to (high concentration) sulfuric acid, the sulfuric acid is oxidized to produce persulfuric acid. And it is known that persulfuric acid is useful for cleaning the wafer and the like because it generates a strong oxidizing power when self-decomposing.
SPMを用いる洗浄方法では、生成した過硫酸は自己分解等によって、使用とともに酸化力が低下してしまう。そのため、洗浄時には過酸化水素水の補給を繰り返す必要がある。また、過酸化水素水を補給すると、SPM中の硫酸濃度が低減するため、硫酸濃度が所定の濃度を下回ると、新しい高濃度硫酸と交換する必要がある。 In the cleaning method using SPM, the generated persulfuric acid is reduced in oxidizing power with use due to autolysis or the like. For this reason, it is necessary to repeatedly supply hydrogen peroxide water during cleaning. Further, when hydrogen peroxide solution is replenished, the sulfuric acid concentration in the SPM is reduced. Therefore, when the sulfuric acid concentration falls below a predetermined concentration, it is necessary to replace it with new high-concentration sulfuric acid.
また、SPMを用いる洗浄方法では、一回洗浄槽を満たした高濃度硫酸と数回の過酸化水素水添加により発生する過硫酸量は少ない。また、SOMを用いる洗浄方法では、オゾン吹き込み量に対する過硫酸の発生効率が非常に低い。したがって、これらの方法では、生成する過硫酸の濃度に限界があるため、洗浄効果にも限界がある。 In the cleaning method using SPM, the amount of persulfuric acid generated by adding high-concentration sulfuric acid that has filled the cleaning tank once and hydrogen peroxide water several times is small. Further, in the cleaning method using SOM, the generation efficiency of persulfuric acid with respect to the ozone blowing amount is very low. Therefore, in these methods, since the concentration of persulfuric acid produced is limited, the cleaning effect is also limited.
過硫酸を生成する方法としては、上記方法の他に、硫酸溶液を電解して過硫酸を製造する方法が知られている(例えば、特許文献1〜4参照)。このような電気化学的手法は、上記方法より過硫酸濃度を高めることができ、薬品使用量を低減することもできる。
As a method for producing persulfuric acid, in addition to the above method, a method for producing persulfuric acid by electrolyzing a sulfuric acid solution is known (for example, see
また、硫酸溶液を電解して過硫酸を製造する方法においては、硫酸溶液中にアルカリ金属イオン、アンモニウムイオンを共存させることで、過硫酸の生成効率を高める方法が知られている(例えば、特許文献5、非特許文献1参照)。
In addition, in a method for producing persulfuric acid by electrolyzing a sulfuric acid solution, a method for increasing the production efficiency of persulfuric acid by coexisting alkali metal ions and ammonium ions in the sulfuric acid solution is known (for example, patents).
ところで、ウエハ上に形成されるレジスト膜の剥離効果を高めるためには、過硫酸濃度のみならず硫酸濃度も高濃度であることが望まれる。しかし、上記のような従来の電気化学的手法では、硫酸濃度が高いと、過硫酸生成のための電流効率が低下してしまうという問題がある。 Incidentally, in order to enhance the peeling effect of the resist film formed on the wafer, it is desired that not only the persulfuric acid concentration but also the sulfuric acid concentration is high. However, the conventional electrochemical method as described above has a problem that current efficiency for producing persulfuric acid decreases when the sulfuric acid concentration is high.
そこで、本発明は、硫酸及び過硫酸が高濃度で共存する過硫酸溶解水を製造することが可能な過硫酸製造装置及び過硫酸製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a persulfuric acid production apparatus and a persulfuric acid production method capable of producing persulfuric acid-dissolved water in which sulfuric acid and persulfuric acid coexist at a high concentration.
本発明は、陽極と、陰極と、陽極側に硫酸溶液を供給する硫酸溶液供給手段と、前記硫酸溶液にアンモニアを含有するガスを供給して、硫酸アンモニウムを生成するアンモニア供給手段と、を備え、前記陽極と前記陰極との間に電流を流し、前記硫酸溶液を電解して、過硫酸溶解水を製造する過硫酸製造装置であって、前記硫酸溶液供給手段により供給される前記硫酸溶液の全硫酸濃度は、6.5〜12mol/Lの範囲であって、そのうちの0.01〜3mol/Lの範囲は、前記アンモニア供給手段のアンモニアを含有するガス供給により生成した硫酸アンモニウム由来によるものである。 The present invention comprises an anode, a cathode, a sulfuric acid solution supply means for supplying a sulfuric acid solution to the anode side, and an ammonia supply means for supplying a gas containing ammonia to the sulfuric acid solution to generate ammonium sulfate, A persulfuric acid production apparatus for producing a persulfuric acid-dissolved water by passing an electric current between the anode and the cathode and electrolyzing the sulfuric acid solution, wherein all of the sulfuric acid solution supplied by the sulfuric acid solution supply means The sulfuric acid concentration is in the range of 6.5 to 12 mol / L, and the range of 0.01 to 3 mol / L is derived from ammonium sulfate produced by the supply of ammonia-containing gas in the ammonia supply means. .
また、本発明は、硫酸溶液にアンモニアを含有するガスを供給して硫酸アンモニウムを生成し、少なくとも陽極側に前記硫酸アンモニウムを含む硫酸溶液を供給し、陽極と陰極との間に電流を流し、前記硫酸溶液を電解して、過硫酸溶解水を製造する過硫酸製造方法であって、前記硫酸溶液の全硫酸濃度は、6.5〜12mol/Lの範囲であり、そのうちの0.01〜3mol/Lの範囲は、硫酸アンモニウム由来によるものである。 Further, the present invention generates an ammonium sulfate by supplying a gas containing ammonia sulfate solution, supplying a sulfuric acid solution containing the ammonium sulfate on at least the anode side, a current is supplied between the anode and the cathode, wherein the sulfate A persulfuric acid production method for producing persulfuric acid-dissolved water by electrolyzing a solution, wherein the sulfuric acid solution has a total sulfuric acid concentration in the range of 6.5 to 12 mol / L, of which 0.01 to 3 mol / L The range of L is derived from ammonium sulfate.
本発明によれば、硫酸及び過硫酸が高濃度で共存する過硫酸溶解水を製造することができる。 According to the present invention, it is possible to produce persulfuric acid-dissolved water in which sulfuric acid and persulfuric acid coexist at a high concentration.
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below. This embodiment is an example for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to this embodiment.
図1は、本発明の実施形態に係る過硫酸製造装置の構成の一例を示す模式図である。図1に示すように、過硫酸製造装置1は、電解槽10、陽極液タンク12と陽極液ポンプ14と陽極液供給ライン16とを備える硫酸溶液供給手段、過硫酸排出ライン18、陰極液タンク20、陰極液ポンプ22、陰極液供給ライン24、陰極液排出ライン26、を備えるものである。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a persulfuric acid production apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the persulfuric
電解槽10は、イオン交換膜等の隔膜28、陽極30、陰極32、を備えている。電解槽10は、隔膜28により陽極室34及び陰極室36に区画されている。そして、陽極室34には陽極30が配置され、陰極室36には陰極32が配置されている。陽極30及び陰極32は、導線により電解槽10外の電源40に接続されている。
The
本実施形態において、硫酸溶液供給手段は、陽極液タンク12と陽極液ポンプ14と陽極液供給ライン16とにより構成されているが、陽極側に、以下説明する硫酸アンモニウム含有の硫酸溶液(陽極液)を供給することができる構成であれば、必ずしも上記構成に制限されるものではない。
In the present embodiment, the sulfuric acid solution supply means is constituted by the
電解槽10の陽極室34側には、陽極液入口及び陽極液出口が設けられている。電解槽10の陽極液入口と陽極液タンク12とは、陽極液供給ライン16により接続されている。また、陽極液供給ライン16には、陽極液ポンプ14が設けられている。電解槽10の陽極液出口には、過硫酸排出ライン18が接続されている。一方、電解槽10の陰極室36側には、陰極液入口及び陰極液出口が設けられている。電解槽10の陰極液入口と陰極液タンク20とは、陰極液供給ライン24により接続されている。また、陰極液供給ライン24には、陰極液ポンプ22が設けられている。電解槽10の陰極液出口には、陰極液排出ライン26が接続されている。なお、本実施形態では、陽極液の一部が循環するように、過硫酸排出ライン18を分岐させ、その分岐ライン18aが陽極液タンク12に接続され、また、陰極液が循環するように、陰極液排出ライン26が陰極液タンク20に接続されている。
An anolyte inlet and an anolyte outlet are provided on the
以下に、本実施形態に係る過硫酸製造装置1の動作について説明する。
Below, operation | movement of the persulfuric
まず、陽極液ポンプ14を稼働させ、陽極液タンク12から陽極液供給ライン16を通して、陽極液を電解槽10の陽極室34に供給する。また、陰極液ポンプ22を稼働させ、陰極液タンク20から陰極液供給ライン24を通して、陰極液を電解槽10の陰極室36に供給する。ここで、陽極液には、硫酸アンモニウム含有の硫酸溶液を用いている。その後、電源40から陽極30に正電圧、陰極32に負電圧を印加し、陽極30及び陰極32間に電流を流すと、陽極室34では、主に下式のような反応が起こる。
First, the
2SO4 2− → S2O8 2− + 2e− (1)
2HSO4 − → S2O8 2− + 2H+ + 2e− (2)
HSO4 − + H2O → HSO5 − + 2H+ + 2e− (3)
2SO 4 2− → S 2 O 8 2− + 2e − (1)
2HSO 4 − → S 2 O 8 2− + 2H + + 2e − (2)
HSO 4 − + H 2 O → HSO 5 − + 2H + + 2e − (3)
また、陰極室36では、主に下式のような反応が起こる。
2H+ + 2e− → H2↑
Further, in the
2H + + 2e − → H 2 ↑
そして、このように硫酸溶液を電解することによって、ペルオキソ一硫酸(H2SO5)、ペルオキソ二硫酸(H2S2O8)等の過硫酸を含む過硫酸溶解水が得られる。過硫酸溶解水は、過硫酸排出ライン18を通り、ウエハ等の洗浄に用いられる。また、過硫酸溶解水の一部は、分岐ライン18aを通り、陽極液タンク12に戻される。一方、陰極室36を通過した陰極液は、陰極液排出ライン26を通り、陰極液タンク20に戻される。
Then, by electrolyzing the sulfuric acid solution in this manner, persulfuric acid-dissolved water containing persulfuric acid such as peroxomonosulfuric acid (H 2 SO 5 ), peroxodisulfuric acid (H 2 S 2 O 8 ) is obtained. The persulfuric acid-dissolved water passes through the persulfuric
高濃度の硫酸を電解する場合、通常、陽極30に正電圧、陰極32に負電圧を印加し、陽極30及び陰極32間に電流を通電し続けると、電解電圧が上昇し、過硫酸生成のための電流効率が低下して、過硫酸の生成量が低下してしまう。
In the case of electrolyzing high-concentration sulfuric acid, normally, when a positive voltage is applied to the
ここで、本実施形態では、硫酸溶液中の全硫酸濃度が6.5〜12mol/Lの範囲であり、そのうちの0.01〜3mol/Lの範囲は、硫酸アンモニウムを由来とする硫酸溶液を用いることにより、電流効率の低下を抑制している。また、水の電解によるオゾン発生も抑制している。その結果、硫酸及び過硫酸が高濃度で共存する過硫酸溶解水を得ることができる。特に、硫酸溶液中の全硫酸濃度は、9〜12mol/Lの範囲が好ましい。硫酸溶液中の全硫酸濃度が6.5mol/L未満であると、本実施形態により得られた過硫酸溶解水中の硫酸濃度が低く、ウエハ上に形成されるレジスト膜の剥離効果が低下する場合がある。また、硫酸溶液中の全硫酸濃度が12mol/L超であると、硫酸電解中に電解電圧の上昇が起こり易く、過硫酸生成量が低下する場合がある。また、硫酸アンモニウム由来の硫酸濃度が、0.01mol/L未満では、硫酸アンモニウム添加効果が弱く、硫酸電解中に電解電圧の上昇が起こり、過硫酸生成量が低下する場合がある。また、硫酸アンモニウム由来の硫酸濃度が、3mol/L超にしても、硫酸アンモニウムの添加量に対する過硫酸生成量の増加は僅かであるため、製造コストが高くなる。 Here, in this embodiment, the total sulfuric acid concentration in the sulfuric acid solution is in the range of 6.5 to 12 mol / L, and the range of 0.01 to 3 mol / L uses a sulfuric acid solution derived from ammonium sulfate. As a result, a decrease in current efficiency is suppressed. Moreover, ozone generation by electrolysis of water is also suppressed. As a result, persulfuric acid-dissolved water in which sulfuric acid and persulfuric acid coexist at a high concentration can be obtained. In particular, the total sulfuric acid concentration in the sulfuric acid solution is preferably in the range of 9 to 12 mol / L. When the total sulfuric acid concentration in the sulfuric acid solution is less than 6.5 mol / L, the sulfuric acid concentration in the persulfuric acid-dissolved water obtained by this embodiment is low, and the peeling effect of the resist film formed on the wafer is reduced. There is. Further, if the total sulfuric acid concentration in the sulfuric acid solution is more than 12 mol / L, the electrolytic voltage is likely to increase during sulfuric acid electrolysis, and the amount of persulfuric acid produced may decrease. In addition, when the concentration of sulfuric acid derived from ammonium sulfate is less than 0.01 mol / L, the effect of adding ammonium sulfate is weak, the electrolytic voltage increases during sulfuric acid electrolysis, and the amount of persulfuric acid produced may decrease. Moreover, even if the concentration of sulfuric acid derived from ammonium sulfate exceeds 3 mol / L, the production cost increases because the amount of persulfuric acid produced is small with respect to the amount of ammonium sulfate added.
陽極液として用いる硫酸アンモニウム含有の硫酸溶液は、全硫酸濃度が6.5〜12mol/Lの範囲であり、そのうちの0.01〜3mol/Lの範囲が硫酸アンモニウム由来となるように、硫酸溶液に硫酸アンモニウム塩を溶解させることにより調製される。また、硫酸アンモニウム濃度の上限値は3〜5.5mol/Lの範囲であって、下限値は0.01mol/Lであることが好ましい。さらに、硫酸アンモニウムの濃度は0.01〜3mol/Lの範囲であることがより好ましい。また、陽極液として用いる硫酸アンモニウム含有の硫酸溶液の温度は、本実施形態の電解方法により得られる過硫酸の自己分解を抑制することができる点で、80℃以下が好ましく、60℃以下がより好ましく、40℃以下がさらにより好ましい。硫酸溶液の温度制御方法は、特に制限されるものではないが、例えば、陽極液タンク12にヒータを設置したり、陽極液供給ライン16に冷却器を設置することによって、行われる。
The sulfuric acid solution containing ammonium sulfate used as the anolyte has a total sulfuric acid concentration in the range of 6.5 to 12 mol / L, and the sulfuric acid solution contains ammonium sulfate so that the range of 0.01 to 3 mol / L is derived from ammonium sulfate. Prepared by dissolving salt. The upper limit of the ammonium sulfate concentration is in the range of 3 to 5.5 mol / L, and the lower limit is preferably 0.01 mol / L. Furthermore, the concentration of ammonium sulfate is more preferably in the range of 0.01 to 3 mol / L. Moreover, the temperature of the sulfuric acid solution containing ammonium sulfate used as the anolyte is preferably 80 ° C. or lower, more preferably 60 ° C. or lower, from the viewpoint that self-decomposition of persulfuric acid obtained by the electrolysis method of the present embodiment can be suppressed. 40 ° C. or lower is even more preferable. The temperature control method of the sulfuric acid solution is not particularly limited. For example, the sulfuric acid solution is controlled by installing a heater in the
本実施形態に用いる陰極液としては、陽極液と同じ硫酸溶液であっても、陽極液と異なるような導電性物質を溶解した溶液であってもよい。また、陰極液として硫酸溶液を用いた場合、陽極液としての硫酸溶液と同程度の濃度の硫酸溶液を用いる方が、より多くの過硫酸を生成することができる点で好ましいが、陽極液の硫酸濃度より低い濃度、例えば10重量%以下の硫酸溶液であってもよい。 The catholyte used in the present embodiment may be the same sulfuric acid solution as the anolyte or a solution in which a conductive substance different from the anolyte is dissolved. In addition, when a sulfuric acid solution is used as the catholyte, it is preferable to use a sulfuric acid solution having a concentration similar to that of the sulfuric acid solution as the anolyte because it can produce more persulfuric acid. It may be a sulfuric acid solution having a concentration lower than the sulfuric acid concentration, for example, 10 wt% or less.
本実施形態に用いる電解槽10は、図1に示すように隔膜28で陽極室34及び陰極室36に区画された2室型電解槽でもよいし、隔膜28を設けない無隔膜型電解槽でもよい。しかし、無隔膜型電解槽では、陽極30で一旦生成したペルオキソ一硫酸イオン(HSO5 −)、ペルオキソ二硫酸イオン(S2O8 2−)等の過硫酸イオンが陰極32に接触して硫酸イオンに還元される可能性があるため、2室型電解槽を使用することが好ましい。また、電解槽10は単極式でも複極式でも特に制限されるものではない。
The
本実施形態に用いる隔膜28としては、例えば、商品名Poreflon等の中性膜や商品名Nafion,Aciplex,Flemion等の陽イオン交換膜等が使用できるが、耐食性の点で、陽イオン交換膜を使用することが好ましい。
As the
本実施形態に用いる陽極30及び陰極32としては、例えば、白金、ダイアモンド被覆電極等を使用するが、陰極32はその他に、カーボン、チタン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム電極等を使用することができる。隔膜28を有することで、陰極32側に供給する硫酸溶液を低濃度にすることができる場合には、白金、ダイアモンド被覆電極等より、カーボン、チタン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム電極等を使用することが、耐食性、コストの点で好ましい。
As the
陽極30及び陰極32間の距離は、特に制限されるものではないが、短い方が好ましい。陽極30及び陰極32間の距離を短くすることにより、溶液抵抗によるジュール熱の発生が抑えられ、生成した過硫酸の自己分解を抑制することができるからである。陽極30及び陰極32間の距離は、例えば、1〜100mmの範囲であることが好ましい。また、陽極30及び陰極32間の電流密度は、特に制限されるものではないが、例えば10〜2000mA/cm2の範囲であることが好ましい。
The distance between the
図2は、本発明の他の実施形態に係る過硫酸製造装置の構成の一例を示す模式図である。図2に示す過硫酸製造装置2において、図1に示す過硫酸製造装置1と同様の構成については同一の符合を付している。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a persulfuric acid production apparatus according to another embodiment of the present invention. In the persulfuric acid production apparatus 2 shown in FIG. 2, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the persulfuric
図1に示す装置では、硫酸アンモニウム含有の硫酸溶液は、硫酸に硫酸アンモニウムを溶解させることにより調製されている。しかし、この方法では、硫酸アンモニウムの一部が溶解残渣として、硫酸溶液中に固形状で存在している場合がある。そこで、以下の本実施形態では、硫酸溶液にアンモニアを含有するガスを供給して、硫酸アンモニウム含有の硫酸溶液を調製した上で、該溶液を電解し過硫酸溶解水を製造する過硫酸製造装置の一例を説明する。以下の実施形態の方が、硫酸溶液中に硫酸アンモニウムが固形状で存在することを抑制することができるため、ウエハ洗浄における歩留まりの点で好ましい。 In the apparatus shown in FIG. 1, the sulfuric acid solution containing ammonium sulfate is prepared by dissolving ammonium sulfate in sulfuric acid. However, in this method, a part of ammonium sulfate may exist as a dissolved residue in a solid form in the sulfuric acid solution. Therefore, in the following embodiment, a gas containing ammonia is supplied to the sulfuric acid solution to prepare a sulfuric acid solution containing ammonium sulfate, and then the persulfuric acid production apparatus for producing persulfuric acid-dissolved water by electrolyzing the solution. An example will be described. The following embodiments are preferable in terms of yield in wafer cleaning because ammonium sulfate can be prevented from being present in a solid state in the sulfuric acid solution.
図2に示す過硫酸製造装置2は、電解槽10、陽極液タンク12と陽極液ポンプ14と陽極液供給ライン16とを備える硫酸溶液供給手段、過硫酸排出ライン18、陰極液タンク20、陰極液ポンプ22、陰極液供給ライン24、陰極液排出ライン26、散気板42とアンモニアガスタンク44とアンモニアガス供給ライン46とを備えるアンモニア供給手段、を備えるものである。散気板42は、陽極液タンク12内に設置され、アンモニアガスタンク44と散気板42とはアンモニアガス供給ライン46により接続されている。
The persulfuric acid production apparatus 2 shown in FIG. 2 includes an
本実施形態では、アンモニア含有ガスが、アンモニアガスタンク44からアンモニアガス供給ライン46を通り、散気板42から陽極液タンク12に放出される。散気板42から陽極液タンク12中に放出されたアンモニア含有ガスは気泡となって硫酸溶液と接触し、硫酸溶液中に溶解して硫酸アンモニウムとなる。なお、上記方法は、気泡塔式によるアンモニアガス溶解方法の一例であって、気泡塔式の構成はこれに制限されるものではない。
In the present embodiment, the ammonia-containing gas passes through the ammonia
本実施形態では、6.5〜12mol/Lの硫酸を充填した陽極液タンク12内に、アンモニア含有ガスを放出して、6.5〜12mol/Lの硫酸のうち0.01〜3mol/Lの硫酸が、アンモニア含有ガスの供給により生成する硫酸アンモニウム由来のものとする。このような方法によって調製した硫酸溶液を電解することによっても、硫酸及び過硫酸が高濃度で共存する過硫酸溶解水を得ることができる。
In this embodiment, ammonia-containing gas is released into the
図3は、本発明の他の実施形態に係る過硫酸製造装置の構成の一例を示す模式図である。図3に示す過硫酸製造装置3において、図1に示す過硫酸製造装置1と同様の構成については同一の符合を付している。図3に示すように、過硫酸製造装置3は、電解槽10、陽極液タンク12と陽極液ポンプ14と陽極液供給ライン16とを備える硫酸溶液供給手段、過硫酸排出ライン18、陰極液タンク20、陰極液ポンプ22、陰極液供給ライン24、陰極液排出ライン26、充填塔48とアンモニアガス供給ライン50とアンモニアガス排出ライン52とを有するアンモニア供給手段、を備えるものである。過硫酸排出ライン18から分岐した分岐ライン18aには、充填塔48が設置され、充填塔48のガス供給口にはアンモニアガス供給ライン50が接続され、充填塔48のガス排出口にはアンモニアガス排出ライン52が接続されている。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a persulfuric acid production apparatus according to another embodiment of the present invention. In the persulfuric
本実施形態では、分岐ライン18aから充填塔48に供給された硫酸溶液が、アンモニアガス供給ライン50から供給されるアンモニア含有ガスと接触し、硫酸溶液中にアンモニア含有ガスが溶解して硫酸アンモニウムとなる。なお、上記方法は、充填塔式によるアンモニアガス溶解方法の一例であって、充填塔式の構成はこれに制限されるものではない。
In the present embodiment, the sulfuric acid solution supplied from the
本実施形態では、6.5〜12mol/Lの硫酸を充填した陽極液タンク12内に、充填塔48内で生成された硫酸アンモニウムを供給する。本実施形態も上記同様に、6.5〜12mol/Lの硫酸のうち0.01〜3mol/Lの硫酸が、アンモニア含有ガスの供給により生成する硫酸アンモニウム由来のものとなる。このような方法によって調製した硫酸溶液を電解することによっても、硫酸及び過硫酸が高濃度で共存する過硫酸溶解水を得ることができる。
In this embodiment, ammonium sulfate produced in the packed
図2,3では、気泡塔式、充填塔式を例に、硫酸へのアンモニアガス溶解方法を説明したが、硫酸へのアンモニアガス溶解方法はこれに制限されるものではなく、例えば、スプレー塔式等であってもよい。 In FIGS. 2 and 3, the method of dissolving ammonia gas in sulfuric acid has been described by taking the bubble column type and packed column type as examples. However, the ammonia gas dissolving method in sulfuric acid is not limited to this, for example, a spray tower It may be a formula or the like.
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, although an example and a comparative example are given and the present invention is explained more concretely in detail, the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
図1に示す過硫酸製造装置を用いて、硫酸溶液を電解し、過硫酸溶解水を製造した。陽極液には、全硫酸濃度は6.5mol/Lであり、そのうちの1mol/Lが硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いた。陰極液には、濃度1mol/Lの硫酸溶液を用いた。過硫酸製造装置で使用した陽極はダイアモンド被覆電極、陰極はジルコニウム電極であった。
Example 1
Using the persulfuric acid production apparatus shown in FIG. 1, the sulfuric acid solution was electrolyzed to produce persulfuric acid-dissolved water. The anolyte used was a sulfuric acid solution having a total sulfuric acid concentration of 6.5 mol / L, of which 1 mol / L was derived from ammonium sulfate. As the catholyte, a 1 mol / L sulfuric acid solution was used. The anode used in the persulfuric acid production apparatus was a diamond-coated electrode, and the cathode was a zirconium electrode.
(比較例1)
比較例1では、全硫酸濃度が6.5mol/Lであるが、硫酸アンモニウムが含有していない硫酸溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で、過硫酸溶解水を製造した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the total sulfuric acid concentration was 6.5 mol / L, but persulfuric acid-dissolved water was produced under the same conditions as in Example 1 except that a sulfuric acid solution containing no ammonium sulfate was used.
(実施例2)
実施例2では、全硫酸濃度は9mol/Lであり、そのうちの1mol/Lが硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で、硫酸溶液を電解し、過硫酸溶解水を製造した。
(Example 2)
In Example 2, the total sulfuric acid concentration was 9 mol / L, and a sulfuric acid solution was electrolyzed under the same conditions as in Example 1 except that a sulfuric acid solution in which 1 mol / L was derived from ammonium sulfate was used. Sulfuric acid-dissolved water was produced.
(比較例2)
比較例2では、全硫酸濃度が9mol/Lであるが、硫酸アンモニウムが含有していない硫酸溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で、硫酸溶液を電解し、過硫酸溶解水を製造した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, the total sulfuric acid concentration was 9 mol / L, but the sulfuric acid solution was electrolyzed under the same conditions as in Example 1 except that a sulfuric acid solution containing no ammonium sulfate was used. Manufactured.
(実施例3)
実施例3では、全硫酸濃度は12mol/Lであり、そのうちの1mol/Lが硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で、硫酸溶液を電解し、過硫酸溶解水を製造した。
(Example 3)
In Example 3, the total sulfuric acid concentration was 12 mol / L, and a sulfuric acid solution was electrolyzed under the same conditions as in Example 1 except that a sulfuric acid solution in which 1 mol / L was derived from ammonium sulfate was used. Sulfuric acid-dissolved water was produced.
(比較例3〜7)
比較例3〜5では、全硫酸濃度が12,13,14mol/Lであるが、硫酸アンモニウムが含有していない硫酸溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で、硫酸溶液を電解し、過硫酸溶解水を製造した。比較例6,7では、全硫酸濃度は13,14mol/Lであり、そのうちの1mol/Lが硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で、硫酸溶液を電解し、過硫酸溶解水を製造した。
(Comparative Examples 3 to 7)
In Comparative Examples 3 to 5, the total sulfuric acid concentration was 12, 13, 14 mol / L, but the sulfuric acid solution was electrolyzed under the same conditions as in Example 1 except that a sulfuric acid solution not containing ammonium sulfate was used. Thus, persulfuric acid-dissolved water was produced. In Comparative Examples 6 and 7, the total sulfuric acid concentration was 13,14 mol / L, and a sulfuric acid solution was used under the same conditions as in Example 1 except that a sulfuric acid solution in which 1 mol / L was derived from ammonium sulfate was used. Electrolysis was performed to produce persulfuric acid-dissolved water.
表1に、通電量10Ah/Lでの実施例1及び比較例1の電流効率をまとめた。また、図4に、実施例1及び比較例1における通電量と過硫酸(H2S2O8)濃度との関係をまとめた。また、表2に、通電量10Ah/Lでの実施例2及び比較例2の電流効率をまとめた。また、図5に、実施例2及び比較例2における通電量と過硫酸(H2S2O8)濃度との関係をまとめた。また、表3に通電量10Ah/Lでの実施例3及び比較例3〜7の電流効率をまとめた。また、図6に実施例3及び比較例3における通電量と過硫酸(H2S2O8)濃度との関係をまとめた。 Table 1 summarizes the current efficiencies of Example 1 and Comparative Example 1 at an energization amount of 10 Ah / L. FIG. 4 summarizes the relationship between the amount of energization and the concentration of persulfuric acid (H 2 S 2 O 8 ) in Example 1 and Comparative Example 1. Table 2 summarizes the current efficiencies of Example 2 and Comparative Example 2 at an energization amount of 10 Ah / L. FIG. 5 summarizes the relationship between the amount of energization and the concentration of persulfuric acid (H 2 S 2 O 8 ) in Example 2 and Comparative Example 2. Table 3 summarizes the current efficiencies of Example 3 and Comparative Examples 3 to 7 at an energization amount of 10 Ah / L. FIG. 6 summarizes the relationship between the energization amount and the persulfuric acid (H 2 S 2 O 8 ) concentration in Example 3 and Comparative Example 3.
表1から判るように、全硫酸濃度6.5mol/Lのうちの1mol/Lの硫酸が硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いた実施例1の方が、硫酸アンモニウム未含有で、硫酸濃度6.5mol/Lの硫酸溶液を用いた比較例1より、高い電流効率を示した。また、図4から判るように、比較例1では、通電量の増加と共に過硫酸濃度は増加するが、その増加率は減少するのに対し、実施例1では、通電量を増加させてもその増加率はほとんど減少しなかった。同様に、表2,3及び図5,6から判るように、全硫酸濃度9mol/Lのうちの1mol/Lの硫酸が硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いた実施例2と硫酸アンモニウム未含有で、硫酸濃度9mol/Lの硫酸溶液を用いた比較例2との比較、及び全硫酸濃度12mol/Lのうちの1mol/Lの硫酸が硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いた実施例3と硫酸アンモニウム未含有で、硫酸濃度12mol/Lの硫酸溶液を用いた比較例3との比較でも同様の結果を示した。また、表3から判るように、全硫酸濃度12mol/L超の硫酸溶液を用いた比較例6,7では、硫酸アンモニウムを添加しても、過硫酸製造中に電解電圧の上昇が起こることがわかった。 As can be seen from Table 1, Example 1 using a sulfuric acid solution in which 1 mol / L sulfuric acid out of the total sulfuric acid concentration of 6.5 mol / L is derived from ammonium sulfate does not contain ammonium sulfate, and the sulfuric acid concentration is 6.5 mol. The current efficiency was higher than that of Comparative Example 1 using a / L sulfuric acid solution. Further, as can be seen from FIG. 4, in Comparative Example 1, the concentration of persulfuric acid increases as the amount of energization increases, but the rate of increase decreases, whereas in Example 1, the amount of energization increases even when the amount of energization increases. The increase rate hardly decreased. Similarly, as can be seen from Tables 2 and 3 and FIGS. 5 and 6, Example 2 using a sulfuric acid solution in which 1 mol / L of sulfuric acid having a total sulfuric acid concentration of 9 mol / L was derived from ammonium sulfate did not contain ammonium sulfate. Comparison with Comparative Example 2 using a sulfuric acid solution having a sulfuric acid concentration of 9 mol / L, and Example 3 using a sulfuric acid solution in which 1 mol / L sulfuric acid out of the total sulfuric acid concentration of 12 mol / L is derived from ammonium sulfate and no ammonium sulfate In comparison with Comparative Example 3 using a sulfuric acid solution having a sulfuric acid concentration of 12 mol / L, similar results were shown. Further, as can be seen from Table 3, in Comparative Examples 6 and 7 using a sulfuric acid solution having a total sulfuric acid concentration of more than 12 mol / L, it was found that an increase in electrolytic voltage occurred during the production of persulfuric acid even when ammonium sulfate was added. It was.
(実施例4〜8)
実施例4〜8では、全硫酸濃度は12mol/Lであり、そのうちの0.01,0.05,0.2,2,3mol/Lが硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の条件で、硫酸溶液を電解し、過硫酸溶解水を製造した。
(Examples 4 to 8)
In Examples 4 to 8, the total sulfuric acid concentration is 12 mol / L, and 0.01, 0.05, 0.2, 2, 3 mol / L of which uses a sulfuric acid solution derived from ammonium sulfate, Under the same conditions as in Example 1, the sulfuric acid solution was electrolyzed to produce persulfuric acid-dissolved water.
表4に、通電量10Ah/Lでの実施例4〜8の電流効率をまとめた。また、図7に実施例4〜実施例8における通電量と過硫酸(H2S2O8)濃度との関係をまとめた。 Table 4 summarizes the current efficiencies of Examples 4 to 8 at an energization amount of 10 Ah / L. FIG. 7 summarizes the relationship between the amount of energization and the concentration of persulfuric acid (H 2 S 2 O 8 ) in Examples 4 to 8.
表3及び4から判るように、全硫酸濃度12mol/Lのうち0.01〜3mol/Lの硫酸が硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いた実施例4〜8の方が、硫酸アンモニウム未含有で、硫酸濃度12mol/Lの硫酸溶液を用いた比較例3より、高い電流効率を示した。また、実施例4〜8を比較すると、硫酸アンモニウムの添加量を増加させることにより、高い電流効率を示した。さらに、図7から判るように、硫酸アンモニウムの添加量を増加させることにより、過硫酸生成量も増加した。但し、全硫酸濃度12mol/Lのうちの2mol/Lの硫酸が硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いた実施例7と全硫酸濃度12mol/Lのうちの3mol/Lの硫酸が硫酸アンモニウム由来である硫酸溶液を用いた実施例8とは、電流効率、過硫酸生成量において、ほとんど同じ値であった。すなわち、これ以上硫酸アンモニウムを添加しても、電流効率、過硫酸生成量の向上はみられないことがわかった。 As can be seen from Tables 3 and 4, Examples 4 to 8 using a sulfuric acid solution in which 0.01 to 3 mol / L of sulfuric acid was derived from ammonium sulfate out of a total sulfuric acid concentration of 12 mol / L were free of ammonium sulfate. The current efficiency was higher than that of Comparative Example 3 using a sulfuric acid solution having a sulfuric acid concentration of 12 mol / L. Moreover, when Examples 4-8 were compared, the high current efficiency was shown by increasing the addition amount of ammonium sulfate. Furthermore, as can be seen from FIG. 7, the amount of persulfuric acid produced was increased by increasing the amount of ammonium sulfate added. However, Example 7 using a sulfuric acid solution in which 2 mol / L of sulfuric acid in a total sulfuric acid concentration of 12 mol / L is derived from ammonium sulfate and sulfuric acid in which 3 mol / L of sulfuric acid in a total sulfuric acid concentration of 12 mol / L is derived from ammonium sulfate The current efficiency and the amount of persulfuric acid produced were almost the same as in Example 8 using the solution. That is, it was found that even when ammonium sulfate was further added, current efficiency and persulfuric acid production were not improved.
以上のことから、過硫酸製造時において、硫酸及び過硫酸が高濃度で共存する過硫酸溶解水を得るためには、硫酸溶液の全硫酸濃度を6.5〜12mol/Lの範囲とすることが適切であり、そのうちの0.01〜3mol/Lの範囲の硫酸を硫酸アンモニウム由来とすることが適切であると云える。 From the above, to obtain persulfuric acid-dissolved water in which sulfuric acid and persulfuric acid coexist at a high concentration during the production of persulfuric acid, the total sulfuric acid concentration of the sulfuric acid solution should be in the range of 6.5 to 12 mol / L. It is appropriate that sulfuric acid in the range of 0.01 to 3 mol / L is derived from ammonium sulfate.
1〜3 過硫酸製造装置、10 電解槽、12 陽極液タンク、14 陽極液ポンプ、16 陽極液供給ライン、18 過硫酸排出ライン、18a 分岐ライン、20 陰極液タンク、22 陰極液ポンプ、24 陰極液供給ライン、26 陰極液排出ライン、28隔膜、30 陽極、32 陰極、34 陽極室、36 陰極室、40 電源、42 散気板、44 アンモニアガスタンク、46 アンモニアガス供給ライン、48 充填塔、50 アンモニアガス供給ライン、52 アンモニアガス排出ライン。 1 to 3 Persulfuric acid production apparatus, 10 electrolytic cell, 12 anolyte tank, 14 anolyte pump, 16 anolyte supply line, 18 persulfate discharge line, 18a branch line, 20 catholyte tank, 22 catholyte pump, 24 cathode Liquid supply line, 26 catholyte discharge line, 28 diaphragm, 30 anode, 32 cathode, 34 anode chamber, 36 cathode chamber, 40 power supply, 42 diffuser plate, 44 ammonia gas tank, 46 ammonia gas supply line, 48 packed tower, 50 Ammonia gas supply line, 52 Ammonia gas discharge line.
Claims (2)
前記硫酸溶液供給手段により供給される前記硫酸溶液の全硫酸濃度は、6.5〜12mol/Lの範囲であって、そのうちの0.01〜3mol/Lの範囲は、前記アンモニア供給手段のアンモニアを含有するガス供給により生成した硫酸アンモニウム由来によるものであることを特徴とする過硫酸製造装置。 An anode, a cathode, a sulfuric acid solution supplying means for supplying a sulfuric acid solution to the anode side, and an ammonia supplying means for supplying ammonium-containing gas to the sulfuric acid solution to generate ammonium sulfate. A persulfuric acid production apparatus for producing persulfuric acid-dissolved water by passing an electric current between the cathode and electrolyzing the sulfuric acid solution,
The total sulfuric acid concentration of the sulfuric acid solution supplied by the sulfuric acid solution supply means is in the range of 6.5 to 12 mol / L, and the range of 0.01 to 3 mol / L is ammonia in the ammonia supply means. An apparatus for producing persulfuric acid, which is derived from ammonium sulfate produced by gas supply containing
前記硫酸溶液の全硫酸濃度は、6.5〜12mol/Lの範囲であり、そのうちの0.01〜3mol/Lの範囲は、硫酸アンモニウム由来によるものであることを特徴とする過硫酸製造方法。 Generate ammonium sulfate by supplying a gas containing ammonia sulfate solution, supplying a sulfuric acid solution containing the ammonium sulfate on at least the anode side, a current is supplied between the anode and the cathode, and electrolysis of the sulfuric acid solution, A persulfuric acid production method for producing persulfuric acid-dissolved water,
The total sulfuric acid concentration of the sulfuric acid solution is in the range of 6.5 to 12 mol / L, and the range of 0.01 to 3 mol / L is derived from ammonium sulfate.
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